(57)【要約】【課題】  材料の熱膨張係数の差によって生ずる基板の反りに起因した弾性表面波素子の周波数ずれを調整する、弾性表面波素子および弾性表面波装置を提供する。【解決手段】  半導体基板２と、半導体基板２上に形成された圧電薄膜３と、圧電薄膜３上に形成されたＩＤＴ電極４と、半導体基板２の裏面に形成され、その厚み方向に分極されたＰＺＴ薄膜６と、を少なくとも備え、ＰＺＴ薄膜６にＤＣバイアス電圧を印加するＤＣバイアス回路７を具備し、ＰＺＴ薄膜６にＤＣバイアス電圧を印加することにより弾性表面波素子１の反りを矯正し、ＩＤＴ電極４の電極間距離Ｐを変化させることで所望の共振周波数に調整する。【選択図】      図１
2006237958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成されたＩＤＴ電極と、
前記半導体基板の裏面に形成され、その厚み方向に分極されたＰＺＴ薄膜と、
を少なくとも備え、
前記ＰＺＴ薄膜にＤＣバイアス電圧を印加するＤＣバイアス回路を具備することを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
請求項１に記載の弾性表面波素子において、
前記ＰＺＴ薄膜はＤＣバイアス電圧を印加することにより前記ＰＺＴ薄膜が弾性表面波の伝播する方向に変形可能であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項３】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されたＩＤＴ電極と、前記半導体基板の裏面に形成され、その厚み方向に分極されたＰＺＴ薄膜と、を少なくとも備えた弾性表面波素子と、
前記ＩＤＴ電極を励振させる駆動回路と、
前記ＰＺＴ薄膜にＤＣバイアス電圧を印加して前記ＰＺＴ薄膜を変形させるＤＣバイアス回路と、
前記弾性表面波素子が目的の共振周波数となるときのＤＣバイアス電圧値を記憶し前記弾性表面波素子の駆動時にその値を読み出し可能な記憶装置と、
を少なくとも具備したことを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項４】
請求項３に記載の弾性表面波装置において、
前記ＰＺＴ薄膜はＤＣバイアス電圧を印加することにより前記ＰＺＴ薄膜が弾性表面波の伝播する方向に変形可能であることを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項５】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されたＩＤＴ電極と、前記半導体基板の裏面に形成され、その厚み方向に分極されたＰＺＴ薄膜と、を少なくとも備えた弾性表面波素子と、
前記ＩＤＴ電極を励振させる駆動回路と、
前記ＰＺＴ薄膜にＤＣバイアス電圧を印加して前記ＰＺＴ薄膜を変形させるＤＣバイアス回路と、
前記弾性表面波素子の近傍の温度を計測する温度センサと、
を少なくとも備え、前記温度センサの計測値に基づき前記ＤＣバイアス回路から前記ＰＺＴ薄膜に印加されるＤＣバイアス電圧を補正することを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項６】
請求項５に記載の弾性表面波装置において、
前記ＰＺＴ薄膜はＤＣバイアス電圧を印加することにより前記ＰＺＴ薄膜が弾性表面波の伝播する方向に変形可能であることを特徴とする弾性表面波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子および弾性表面波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体基板表面に圧電薄膜を形成し、その上にＩＤＴ（Interdigital  Transducer）電極を設けた弾性表面波素子が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】実開平３−２４７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような構成の弾性表面波素子の製造プロセスにおいて、シリコンなどの半導体基板上に、ＺｎＯなどの圧電薄膜と、さらにその上にＡｌなどのＩＤＴ電極形成膜が成膜される。この成膜のプロセスでは、膜の特性を向上させるように半導体基板を高温に加熱して成膜が行われている。このとき、圧電薄膜やＩＤＴ電極形成膜の熱膨張係数に比べて、半導体基板の熱膨張係数は小さく、常温に戻ったときに、弾性表面波素子に反りを与えている。例えば、図６に示す弾性表面波素子１００の断面図のように、半導体基板１０１上に形成された圧電薄膜１０２およびＩＤＴ電極１０３が高温から常温に戻ったときに、矢印Ｅ方向に収縮して弾性表面波素子１００に反りが生ずる。
【０００５】
この反りはＩＤＴ電極１０３を形成した側が凹部となる反りで、この反りが生ずるとＩＤＴ電極１０３の電極間距離（ピッチ）を狭め、弾性表面波素子１００の共振周波数が高い方向にシフトし、所望の共振周波数が得られないという課題がある。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、材料の熱膨張係数の差によって生ずる基板の反りに起因した弾性表面波素子の周波数ずれを調整する、弾性表面波素子および弾性表面波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の弾性表面波素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されたＩＤＴ電極と、前記半導体基板の裏面に形成され、その厚み方向に分極されたＰＺＴ薄膜と、を少なくとも備え、前記ＰＺＴ薄膜にＤＣバイアス電圧を印加するＤＣバイアス回路を具備することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、反りの生じた弾性表面波素子のＰＺＴ薄膜にＤＣバイアス電圧を印加することでＰＺＴ薄膜が変形し、この反りを矯正することができる。このことから、弾性表面波素子のＩＤＴ電極の電極間距離が変化し、この電極間距離で決定される共振周波数を調整することが可能となる。
【０００９】
また、本発明の弾性表面波素子において、前記ＰＺＴ薄膜はＤＣバイアス電圧を印加することにより前記ＰＺＴ薄膜が弾性表面波の伝播する方向に変形可能であることが望ましい。
【００１０】
この構成のように、本発明の弾性表面波素子は、弾性表面波の伝播する方向にＰＺＴ薄膜を変形させることで、効率よくＩＤＴ電極の電極間距離を変化させることができ、共振周波数を容易に調整することができる。
【００１１】
本発明の弾性表面波装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されたＩＤＴ電極と、前記半導体基板の裏面に形成され、その厚み方向に分極されたＰＺＴ薄膜と、を少なくとも備えた弾性表面波素子と、前記ＩＤＴ電極を励振させる駆動回路と、前記ＰＺＴ薄膜にＤＣバイアス電圧を印加して前記ＰＺＴ薄膜を変形させるＤＣバイアス回路と、前記弾性表面波素子が目的の共振周波数となるときのＤＣバイアス電圧値を記憶し前記弾性表面波素子の駆動時にその値を読み出し可能な記憶装置と、を少なくとも具備したことを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、反りの生じた弾性表面波素子のＰＺＴ薄膜にＤＣバイアス電圧を印加することで、この反りを矯正することができる。このことから、予め所望の共振周波数が得られるＤＣバイアス電圧を記憶装置に記憶しておき、使用時に記憶装置に記憶したＤＣバイアス電圧を記憶装置から読み出して、ＰＺＴ薄膜に印加することにより、弾性表面波装置から所望の共振周波数を出力できる。
【００１３】
また、本発明の弾性表面波装置は、前記ＰＺＴ薄膜はＤＣバイアス電圧を印加することにより前記ＰＺＴ薄膜が弾性表面波の伝播する方向に変形可能であることが望ましい。
【００１４】
この構成のように、本発明の弾性表面波装置は、弾性表面波の伝播する方向にＰＺＴ薄膜を変形させることで、効率よくＩＤＴ電極の電極間距離を変化させることができ、共振周波数を容易に調整することができる。
【００１５】
本発明の弾性表面波装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されたＩＤＴ電極と、前記半導体基板の裏面に形成され、その厚み方向に分極されたＰＺＴ薄膜と、を少なくとも備えた弾性表面波素子と、前記ＩＤＴ電極を励振させる駆動回路と、前記ＰＺＴ薄膜にＤＣバイアス電圧を印加して前記ＰＺＴ薄膜を変形させるＤＣバイアス回路と、前記弾性表面波素子の近傍の温度を計測する温度センサと、を少なくとも備え、前記温度センサの計測値に基づき前記ＤＣバイアス回路から前記ＰＺＴ薄膜に印加されるＤＣバイアス電圧を補正することを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、本発明の弾性表面波装置は、周囲の温度変化に伴い変化する弾性表面波装置の共振周波数を、温度センサの計測値に基づき、ＰＺＴ薄膜に印加するＤＣバイアス電圧を補正することで弾性表面波素子の反りの矯正量を調整し、共振周波数を調整することができる。このことから、温度補正された弾性表面波装置を提供することができる。
【００１７】
また、本発明の弾性表面波装置は、前記ＰＺＴ薄膜はＤＣバイアス電圧を印加することにより前記ＰＺＴ薄膜が弾性表面波の伝播する方向に変形可能であることが望ましい。
【００１８】
この構成のように、本発明の弾性表面波装置は、弾性表面波の伝播する方向にＰＺＴ薄膜を変形させることで、効率よくＩＤＴ電極の電極間距離を変化させることができ、共振周波数を容易に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）
【００２０】
図１は本実施形態の弾性表面波素子の構成を示す概略構成図である。図１（ａ）は弾性表面波素子の平面図であり、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う断面図である。
【００２１】
弾性表面波素子１には、シリコンなどの半導体基板２と、その上に形成されたＺｎＯなどの圧電薄膜３と、さらに、その上にＡｌなどで形成されたＩＤＴ電極４および反射器５を備えている。ＩＤＴ電極４は１対の櫛歯状電極が、お互いに噛み合うように配置されている。また、半導体基板２のＩＤＴ電極４が形成された面と厚み方向に対向する面（裏面）にはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜６が形成されている。ＰＺＴ薄膜６には、その厚み方向に分極されるように、その上下面に電極が形成され（図示せず）、ＤＣバイアス回路７が接続されている。
【００２２】
このような構成の弾性表面波素子１において、励振されたＩＤＴ電極４から発生する弾性表面波は矢印Ｂ方向に伝播し、ＩＤＴ電極４の両側に配置された反射器５により伝播する弾性表面波を反射させ、ＩＤＴ電極４の部分に弾性表面波エネルギーを閉じ込めている。また、弾性表面波の波長λはＩＤＴ電極４の電極間距離（ピッチ）Ｐにより決まり、Ｐ＝λ／２という関係にある。
【００２３】
一方、半導体基板２の裏面に形成されたＰＺＴ薄膜６にＤＣバイアス回路７から、ＤＣバイアス電圧が印加され、ＰＺＴ薄膜６が弾性表面波の伝播方向である矢印Ｂ方向と同じ矢印Ｃ方向に変形（収縮）する。このことから、図６で説明したような弾性表面波素子１の反りは、ＰＺＴ薄膜６が収縮することにより反りを矯正するように働く。この反りが矯正されることにより、ＩＤＴ電極４の電極間距離Ｐが広がり、波長λが大きくなり、共振周波数は低くなる方向にシフトする。
【００２４】
このように、本実施形態の弾性表面波素子１は、ある一定のＤＣバイアス電圧をＰＺＴ薄膜６に印加することにより、ＰＺＴ薄膜６が収縮して弾性表面波素子１の反りを矯正でき、所定の共振周波数に合わせることが可能である。
また、弾性表面波の伝播する方向（矢印Ｂ方向、矢印Ｃ方向）にＰＺＴ薄膜６を変形させることで、効率よくＩＤＴ電極４の電極間距離Ｐを変化させることができ、共振周波数を容易に調整することができる。
【００２５】
なお、反射器５は必ずしも必要ではなく、反射器５を設けない構成でも実施が可能である。
また、ＰＺＴ薄膜６を半導体基板２の裏面の全面にわたり形成したが、ＩＤＴ電極４の裏面または反射器５の裏面に形成して実施することもできる。
（第２の実施形態）
【００２６】
次に第２の実施形態として、弾性表面波装置としてのＳＡＷ発振器を例にとり説明する。図２は弾性表面波装置の構成を示すブロック図である。図３は弾性表面波装置の周波数調整について説明するブロック図である。また、図４は弾性表面波装置の共振周波数とＰＺＴ薄膜に印加するＤＣバイアス電圧の関係を示すグラフである。
【００２７】
図２において、弾性表面波装置２０は弾性表面波素子１０、駆動回路２１、ＤＣバイアス回路２２、記憶装置２３から構成されている。
また、弾性表面波素子１０は、半導体基板１１と、その上に形成された圧電薄膜１２と、さらに、その上に形成されたＩＤＴ電極１３と、半導体基板１１の裏面に形成されたＰＺＴ薄膜１４を備え、図１で説明した弾性表面波素子１と同様の構成からなる。
【００２８】
ＩＤＴ電極１３は、駆動回路２１に接続され、ＩＤＴ電極１３で励振された弾性表面波信号は駆動回路２１から端子２５へ出力される。
一方、弾性表面波素子１０のＰＺＴ薄膜１４には、ＤＣバイアス回路２２が接続されている。ＰＺＴ薄膜１４は、その厚み方向に分極され、ＤＣバイアス電圧を印加することにより、弾性表面波の伝播する方向に変形可能に構成されている。また、ＤＣバイアス回路２２は、記憶装置２３に接続されている。記憶装置２３にはメモリを含み、記憶装置２３は端子２６，２７に接続されている。そして、これらの端子２６，２７を介して外部との接続が可能となっている。
【００２９】
上記の構成の弾性表面波装置２０において、図３に示すように、周波数測定装置３０が接続され、弾性表面波装置２０の周波数調整が行われる。
周波数測定装置３０はスペクトラムアナライザやネットワークアナライザなどの基準信号を発生させる機能を持つ周波数測定器３１と、周波数信号と基準信号を基に周波数の判定およびＤＣバイアス電圧値の演算機能を持つ制御回路３２から構成されている。
周波数測定器３１は弾性表面波装置２０の端子２５と接続され、制御回路３２は端子２６，２７と接続されている。また、周波数測定器３１の出力は制御回路３２と接続されている。
【００３０】
以上の状態において、駆動回路２１によりＩＤＴ電極１３が励振され、弾性表面波信号が周波数測定器３１に入力され、共振周波数が計測される。この計測された計測信号は、制御回路３２に入力され、また、周波数測定器３１から入力された基準信号を基に、ＤＣバイアス回路で生成するバイアス電圧値を演算し、端子２６を介して記憶装置２３に出力する。記憶装置２３では、制御回路３２から書き込み信号が端子２７を介して入力され、このバイアス電圧値を一旦、記憶する。その後、制御回路３２から読み出し信号が端子２７を介して記憶装置２３に出力され、記憶されたＤＣバイアス電圧値をＤＣバイアス回路２２に出力する。そして、ＤＣバイアス回路２２で、入力されたバイアス電圧値に基づきＤＣバイアス電圧を生成してＰＺＴ薄膜１４に印加する。
【００３１】
ここで、弾性表面波素子１０は、ＰＺＴ薄膜１４にＤＣバイアス電圧が印加されない状態では、ＩＤＴ電極が形成された側が凹部となるような反りがあり、ＤＣバイアス電圧を印加することにより、ＰＺＴ薄膜１４が収縮して反りを矯正するように働く。弾性表面波装置２０の共振周波数とＰＺＴ薄膜１４に印加するＤＣバイアス電圧の関係は、図４に示すように、ＰＺＴ薄膜１４に印加するＤＣバイアス電圧が高くなるに従い、弾性表面波素子１０の反りが矯正されて、共振周波数が低くなる方向に推移する。
【００３２】
そして、ＰＺＴ薄膜１４にＤＣバイアス電圧が印加された状態で、周波数測定器３１で共振周波数が計測され、弾性表面波装置２０が所望の共振周波数になるまで上記の動作を繰り返す。その後、弾性表面波装置２０と周波数測定装置３０の接続が解除され、弾性表面波装置２０の周波数調整が終了する。
【００３３】
次に、周波数調整が終了した弾性表面波装置２０の使用状態では、図２に示すように、弾性表面波装置２０の端子２７に読み出し信号が送られ、記憶装置２３に記憶されたバイアス電圧値が読み出され、その信号が記憶装置２３からＤＣバイアス回路２２に入力される。ＤＣバイアス回路２２では、入力された信号を基にＤＣバイアス電圧を生成し、ＰＺＴ薄膜１４にＤＣバイアス電圧を印加する。そして、ＰＺＴ薄膜１４が収縮し、弾性表面波素子１０の反りを矯正して所望の共振周波数が端子２５から出力される。
【００３４】
以上のように、反りの生じた弾性表面波素子１０のＰＺＴ薄膜１４にＤＣバイアス電圧を印加することで、ＰＺＴ薄膜１４が変形し、この反りを矯正することができる。このことから、予め所望の共振周波数が得られるＤＣバイアス電圧を記憶装置２３で記憶しておき、使用時に記憶装置２３に記憶したＤＣバイアス電圧を記憶装置２３から読み出して、ＰＺＴ薄膜１４に印加することにより、弾性表面波装置２０から所望の共振周波数を出力できる。
また、弾性表面波の伝播する方向にＰＺＴ薄膜１４を変形させることで、効率よくＩＤＴ電極１４の電極間距離を変化させることができ、共振周波数を容易に調整することができる。
（第３の実施形態）
【００３５】
次に第３の実施形態として、温度補正機能を有する弾性表面波装置としてのＳＡＷ発振器を例にとり説明する。
図５は温度補正機能を有する弾性表面波装置の構成を示すブロック図である。
【００３６】
図５において、弾性表面波装置４０は弾性表面波素子１０、駆動回路４１、ＤＣバイアス回路４２、温度センサ４３から構成されている。
また、弾性表面波素子１０は、半導体基板１１と、その上に形成された圧電薄膜１２と、さらに、その上に形成されたＩＤＴ電極１３と、半導体基板１１の裏面に形成されたＰＺＴ薄膜１４から構成されている。
【００３７】
ＩＤＴ電極１３は、駆動回路４１に接続され、ＩＤＴ電極１３で励振された弾性表面波信号は駆動回路２１から端子４４へ出力される。
一方、弾性表面波素子１０のＰＺＴ薄膜１４には、ＤＣバイアス回路４２が接続されている。ＰＺＴ薄膜１４は、その厚み方向に分極され、ＤＣバイアス電圧を印加することにより、弾性表面波の伝播する方向に変形可能に構成されている。また、ＤＣバイアス回路４２は、弾性表面波素子１０の近傍に設けられた温度センサ４３に接続されている。
【００３８】
このような弾性表面波装置４０において、ＤＣバイアス回路４２には、常温（２５℃）で弾性表面波素子１０が、所望の共振周波数となるＰＺＴ薄膜１４に印加するＤＣバイアス電圧が予め設定されている。このため、常温では弾性表面波素子１０の反りを矯正し、所望の共振周波数信号が端子４４から出力される。
弾性表面波素子１０は、温度の変化により共振周波数が変化する周波数温度特性を持ち、弾性表面波素子１０の周辺温度の変化に伴い、弾性表面波素子１０の温度が変化すると共振周波数が変化する。このとき、ＤＣバイアス回路４２では温度センサ４２の計測値に基づき、ＰＺＴ薄膜１４に印加するＤＣバイアス電圧を補正し、補正されたＤＣバイアス電圧をＰＺＴ薄膜１４に印加する。
このように、弾性表面波素子１０の反りの矯正量を変化させて、ＩＤＴ電極１３の電極間距離を調整して、温度変化が生じても共振周波数を一定に保つことができる。
【００３９】
以上のように、周囲の温度変化に伴い変化する弾性表面波装置４０の共振周波数を、温度センサ４３の計測値に基づき、ＤＣバイアス電圧を補正することで共振周波数を調整することができる。このことから、温度補正された弾性表面波素子４０を得ることができる。
また、弾性表面波の伝播する方向にＰＺＴ薄膜１４を変形させることで、効率よくＩＤＴ電極１３の電極間距離を変化させることができ、共振周波数を容易に調整することができる。
【００４０】
なお、弾性表面波素子の設計段階において、その反り量を予測し、ＰＺＴ薄膜の厚みを加味して、ＰＺＴ薄膜に印加するＤＣバイアス電圧を決定して、その値を用いて当初からある一定のＤＣバイアス電圧を印加する実施も可能である。
【００４１】
また、本実施形態において半導体基板材料としてシリコンを用いて説明をしたが、他に例えば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅなどを用いることもできる。
また、圧電薄膜の材料としてＺｎＯを用いて説明したが、他に例えば、ＡｌＮ、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3などが利用できる。
さらに、本実施形態では弾性表面波装置としてＳＡＷ発振器を例にとり説明したが、ＳＡＷフィルタを構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態の弾性表面波素子の構成を示す概略構成図であり、（ａ）は弾性表面波素子の平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う断面図。
【図２】弾性表面波装置の構成を示すブロック図。
【図３】弾性表面波装置の周波数調整について説明するブロック図。
【図４】弾性表面波装置の周波数とＰＺＴ薄膜に印加するＤＣバイアス電圧の関係を示すグラフ。
【図５】温度補正機能を有する弾性表面波装置の構成を示すブロック図。
【図６】従来の弾性表面波素子の反り状態を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１…弾性表面波素子、２…半導体基板、３…圧電薄膜、４…ＩＤＴ電極、５…反射器、６…ＰＺＴ薄膜、７…ＤＣバイアス回路、１０…弾性表面波素子、１１…半導体基板、１２…圧電薄膜、１３…ＩＤＴ電極、１４…ＰＺＴ薄膜、２０…弾性表面波装置、２１…駆動回路、２２…ＤＣバイアス回路、２３…記憶装置、３０…周波数測定装置、３１…周波数測定器、３２…制御回路、４０…温度補正機能を持つ弾性表面波装置、４１…駆動回路、４２…ＤＣバイアス回路、４３…温度センサ。
【図１】
2006237958.tif 000003
【図２】
2006237958.tif 000004
【図３】
2006237958.tif 000005
【図４】
2006237958.tif 000006
【図５】
2006237958.tif 000007
【図６】
2006237958.tif 000008